Θερμοφυσική για διαστημικές εφαρμογές και έργα βιώσιμης δόμησης

Το Österreichische Gießerei-Institut (ÖGI, Αυστριακό Ινστιτούτο Χυτηρίων) είναι το κοινό ινστιτούτοarch της αυστριακής βιομηχανίας χυτηρίων με περίπου 40 υπαλλήλους. Χειρίζεται θέματα της βιομηχανίας χυτηρίων και διαθέτει το δικό του δοκιμαστικό χυτήριο, όπου διεξάγεται έρευναarch προσανατολισμένη στην εφαρμογή στις αντίστοιχες διαδικασίες χύτευσης και στη χύτευση κραμάτων. Επιπλέον, το ÖGI είναι επίσης ένα από τα κορυφαία εργαστήρια δοκιμών στην Αυστρία. Εδώ, το ÖGI κινείται πολύ πέρα από τον πραγματικό πυρήνα της βιομηχανίας χυτηρίων και της τεχνολογίας μετάλλων. Η γκάμα των υπηρεσιών research και των δοκιμών τους καλύπτει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών: Μη καταστρεπτικός έλεγχος με ακτίνες Χ και τομογραφία υπολογιστή, όπου εκτός από τα χυτά εξαρτήματα εξετάζονται και δείγματα από τη βιομηχανία δομικών υλικών ή φαρμακευτικών προϊόντων, θερμοφυσική, με ένα ευρύ φάσμα υλικών καθώς και αριθμητική προσομοίωση διαδικασιών χύτευσης και ανάλυση αστοχίας, ακόμη και τεχνολογία σύνδεσης/επιφάνειας και συγκόλλησης.

Ως μη πανεπιστημιακό ινστιτούτο research, το ÖGI είναι διαπιστευμένο ως εργαστήριο δοκιμών για 26 μεθόδους δοκιμών από τη Διαπίστευση της Αυστρίας στους λειτουργικούς τομείς του χημικού εργαστηρίου, του μηχανικού εργαστηρίου, του φυσικού εργαστηρίου και της μεταλλογραφίας. Το εργαστήριο δοκιμών συμμορφώνεται με τις απαιτήσεις του προτύπου EN ISO/IEC 17025:2017. Στο θερμοφυσικό εργαστήριο προσδιορίζονται παράμετροι υλικών, όπως η θερμική αγωγιμότητα, η θερμική διαστολή και η θερμοχωρητικότητα, από πολύ χαμηλές έως πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Τα δεδομένα αυτά έχουν μεγάλη σημασία για κάθε ανάπτυξη υλικού, αλλά χρησιμεύουν επίσης ως παράμετροι εισόδου για αριθμητικές προσομοιώσεις. Το φάσμα των υλικών στο θερμοφυσικό εργαστήριο δεν περιορίζεται, ωστόσο, στα μεταλλικά κράματα, τα οποία χαρακτηρίζονται κυρίως στη στερεά κατάσταση αλλά και στην υγρή κατάσταση. Περιλαμβάνει επίσης υλικά χύτευσης με βάση την άμμο που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία χυτηρίων, οικοδομικά υλικά όπως ο γύψος και διάφορα ξύλα ή υλικά με βάση το ξύλο, ποικιλίες γυαλιού και κεραμικά υλικά.

Μαζί με την αξιοπιστία των αναλυτικών οργάνων, η άριστη υποστήριξη πελατών που παρέχει η NETZSCH-Gerätebau GmbH υπήρξε καθοριστική σε αυτή τη μακροχρόνια συνεργασία. Η μακροχρόνια διαθεσιμότητα ανταλλακτικών ήταν εξίσου σημαντική με την άριστη και πάντα διαθέσιμη επιτόπια εξυπηρέτηση, καθώς και η δυνατότητα ολοκληρωμένης συντήρησης των συστημάτων απευθείας στο NETZSCH-Gerätebau GmbH στο Selb. Αυτός ο συνδυασμός επιτρέπει στην ÖGI να προσφέρει στους πελάτες και τους συνεργάτες της ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών με απαιτητικά υλικά στο πλαίσιο διμερών συνεργασιών μεταξύ εθνικών και διεθνών έργων.

Ανάλυση υλικών για διαστημικές εφαρμογές

Τα υλικά για διαστημικές εφαρμογές αποτελούν επίσης σημαντικό μέρος του φάσματος υλικών της ÖGI. Κάθε εβδομάδα, αρκετοί τόνοι υλικών από εγκαταλελειμμένα διαστημόπλοια εισέρχονται στη γήινη ατμόσφαιρα. Το πρόβλημα εδώ είναι η ανεξέλεγκτη αποσύνθεση αυτών των συντριμμιών διαστημοπλοίων. Οι διεθνείς συμφωνίες απαιτούν πλέον για κάθε νέα απογείωση σε χαμηλή γήινη τροχιά είτε ελεγχόμενη επανείσοδο είτε εκτίμηση κινδύνου για ανεξέλεγκτη συντριβή. Για τη διαχείριση του κινδύνου πραγματοποιούνται αριθμητικές προσομοιώσεις της θερμικής και μηχανικής φόρτισης ή της καύσης κατά την επανείσοδο. Για τη βελτίωση της ικανότητας πρόβλεψης απαιτούνται έγκυρα δεδομένα υλικών μέχρι πολύ υψηλές θερμοκρασίες ή μέχρι τη λιωμένη φάση.

arcΗ ÖGI εκπροσωπήθηκε και εκπροσωπείται σε διάφορα διεθνή έργα και συνεργασίες. Δοκιμάζεται ένα ευρύ φάσμα υλικών, συμπεριλαμβανομένων μεταλλικών κραμάτων, πλαστικών ενισχυμένων με ίνες άνθρακα που χρησιμοποιούνται σε δορυφόρους και στάδια πυραύλων, καθώς και κεραμικών υφασμάτων, αερογελών και αφρών γραφίτη που χρησιμοποιούνται ως σύνθετα στρώματα για φουσκωτές ασπίδες θερμικής προστασίας.

Τα κεραμικά υφάσματα και οι αφροί γραφίτη, ωστόσο, αποτελούν ιδιαίτερη πρόκληση για τον χαρακτηρισμό υλικών για διαστημικές εφαρμογές. Όπως αναφέρθηκε, αυτά χρησιμοποιούνται ως σύνθετα υλικά στρώματος για φουσκωτές ασπίδες θερμικής προστασίας (Advanced Inflatable Thermal Protection Systems) για τη Γη και μελλοντικές αποστολές στον Άρη (σχήμα 2). Δεδομένου ότι η γνώση των χαρακτηριστικών των υλικών απαιτείται για θερμοκρασίες πολύ πάνω από 1000°C, μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο η μέθοδος laser flash- είναι το μόνο όργανο που μπορεί να προσδιορίσει τη θερμική διαχυτότητα στην περιοχή υψηλών θερμοκρασιών. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται στο ÖGI δύο συστήματα LFA 427 της NETZSCH. Το πλεονέκτημα της μεθόδου laser flash δεν έγκειται μόνο στο ευρύ φάσμα θερμοκρασιών, αλλά και στην ικανότητά της να μετρά υφάσματα και αφρούς γραφίτη υπό διαφορετικές πιέσεις και ατμόσφαιρες αερίων.

Η μεθοδολογία μέτρησης και η αξιολόγηση πρέπει να ανταποκρίνονται στις απαιτήσεις που θέτουν όχι μόνο ζητήματα όπως η παραγωγή κατάλληλων δειγμάτων, το δύσκολα προσδιορίσιμο πάχος των υφασμάτων και των αφρών γραφίτη και η μερική ανομοιογένεια, αλλά και σε αυτές που θέτει το πορώδες των υλικών. Στο παράδειγμα που ακολουθεί, ένας αφρός γραφίτη και ένα αερογέλο δοκιμάστηκαν το καθένα σε ατμόσφαιρα αργού. Στο σχήμα 3 παρουσιάζεται το σήμα μέτρησης (μπλε) με την πάροδο του χρόνου για έναν αφρό γραφίτη- στο σχήμα 4 για ένα αερογέλο. Λόγω της πορώδους δομής των δύο υλικών, ο παλμός λέιζερ δεν απορροφάται πλέον εξ ολοκλήρου στην επιφάνεια. Για να ληφθεί υπόψη η απορρόφηση του παλμού λέιζερ στη δομή των πόρων, χρησιμοποιείται και στις δύο περιπτώσεις το μοντέλο διείσδυσης του λογισμικούNETZSCH Proteus^® LFA. Για την ελαχιστοποίηση των παρασιτικών επιδράσεων της ροής θερμότητας, ένα τέλος του εύρους προσαρμογής της καμπύλης (κόκκινο) είναι selected λίγο μετά το μέγιστο. Στην περίπτωση μερικώς ακτινοδιαπερατών υλικών, όπως η αερογέλη, το αρχικό σήμα δεν λαμβάνεται υπόψη στην αξιολόγηση.

Ήταν δυνατό να χρησιμοποιηθεί η εμπειρία που αποκτήθηκε στο ÖGI από τη μέτρηση πορωδών ή μερικώς αποσυντιθέμενων υλικών από τη διαστημική βιομηχανία για τη δημιουργία τεχνογνωσίας σε έναν περαιτέρω τομέα εφαρμογής: Υλικά με βάση το ξύλο ως δομικά υλικά για μελλοντικά βιώσιμα κατασκευαστικά έργα.

Υλικά με βάση το ξύλο για βιώσιμα οικοδομικά έργα

Το ξύλο ως οικοδομικό υλικό έχει γνωρίσει μεγάλη άνοδο τα τελευταία χρόνια. Το μερίδιό του στα μελλοντικά οικοδομικά έργα συνεχίζει να αυξάνεται λόγω των θετικών ιδιοτήτων του ξύλου όσον αφορά τη μείωση των εκπομπών_CO2, τη χαμηλή κατανάλωση ενέργειας κατά την παραγωγή, αλλά και τις θερμομονωτικές του ιδιότητες. Στο πλαίσιο αυτό, τα υλικά με βάση το ξύλο χρησιμοποιούνται όχι μόνο σε μονοκατοικίες, αλλά και όλο και περισσότερο σε πολυώροφα κτίρια ή σε έργα κατασκευής πολυώροφων κτιρίων. Αυτό επιτρέπει τη βιώσιμη ανασυγκρότηση των αστικών περιοχών. Ωστόσο, η αυξημένη χρήση υλικών με βάση το ξύλο θέτει επίσης υψηλότερες απαιτήσεις πυροπροστασίας για το ξύλο ως υλικό. Η πυραντίσταση των ξύλινων κατασκευών πρέπει να αποδεικνύεται, και μέχρι σήμερα αυτό γινόταν μέσω χρονοβόρων και δαπανηρών δοκιμών πυρκαγιάς. Επομένως, όπως και με τα υλικά για διαστημικές εφαρμογές, υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον για την εφαρμογή αριθμητικών προσομοιώσεων- στην προκειμένη περίπτωση, για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς των ξύλινων κατασκευών στη φωτιά. Ως δεδομένα εισόδου για τους υπολογισμούς, απαιτούνται και πάλι θερμοφυσικά δεδομένα για τα ξύλινα υλικά σε διαφορετικές καταστάσεις: για υγρό ξύλο, ξηρό ξύλο και πυρολυμένο υλικό μέχρι την περιοχή υψηλών θερμοκρασιών 900°C. Αυτά συλλέγονται στο ÖGI με τα όργανα ανάλυσης της NETZSCH-Gerätebau GmbH- μεταξύ άλλων χρησιμοποιείται το LFA 427.

Ιδιαίτερη πρόκληση στον χαρακτηρισμό των υλικών με βάση το ξύλο μέχρι την περιοχή υψηλών θερμοκρασιών αρκετών εκατοντάδων βαθμών αποτελεί, αφενός, ο πορώδης χαρακτήρας του ξύλου και, αφετέρου, η αποσύνθεση του υλικού υπό την επίδραση υψηλής θερμικής έκθεσης, όπως συμβαίνει με το laser shots στο LFA. Για τη μέτρηση του ξύλου μέχρι το όριο θερμικής σταθερότητας (έναρξη της πυρολυτικής αποσύνθεσης), τα δείγματα που παρασκευάζονται πρέπει επομένως να είναι κατάλληλα επικαλυμμένα. Για το σκοπό αυτό, ένα αυτοκόλλητο φύλλο χαλκού (περίπου 35 µm φύλλο χαλκού + 35 µm ακρυλική κόλλα) στην κάτω πλευρά του δείγματος έχει αποδειχθεί κατάλληλη επίστρωση. Λόγω του πορώδους χαρακτήρα του ξύλου, τα δείγματα πρέπει επίσης να επικαλύπτονται στην επάνω πλευρά, ώστε να αποφεύγεται η ανίχνευση της αύξησης της θερμοκρασίας στην επάνω πλευρά του δείγματος από τον χώρο των πόρων. Για το σκοπό αυτό, τα δείγματα επικαλύφθηκαν με ένα λεπτό στρώμα θερμικής πάστας (περίπου 80 μm) (σχηματική απεικόνιση στο σχήμα 5). Ωστόσο, η επίστρωση επηρεάζει τον υπολογισμό της θερμικής διαχυτότητας του ξύλου λόγω της αύξησης του πάχους ολόκληρου του δείγματος καθώς και των διαφόρων υλικών. Για να εκτιμηθεί η επίδραση της επικάλυψης, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις αναφοράς με υλικά παρόμοιας θερμικής αγωγιμότητας- αυτά μπορούν να μετρηθούν τόσο με όσο και χωρίς επικάλυψη. Στο σχήμα 6 παρουσιάζεται η μετρούμενη θερμική διαπερατότητα του μαύρου βακελίτη®. Σε σχέση με το μετρούμενο πάχος του δείγματος, η επίστρωση οδηγεί σε χαμηλότερη θερμική διαχυτότητα (κόκκινη καμπύλη στο σχήμα 6) από ό,τι για το δείγμα χωρίς επίστρωση (μπλε καμπύλη) λόγω της αύξησης του χρόνου ανόδου. Με τη διόρθωση ολόκληρου του πάχους του δείγματος, η πραγματική θερμική διαχυτότητα του υλικού μπορεί να προσεγγιστεί και η μικρή απόκλιση μπορεί να θεωρηθεί ως άλλος όρος στην αβεβαιότητα μέτρησης. Η διόρθωση του πάχους μπορεί επίσης να πραγματοποιηθεί απευθείας με τη λειτουργία που είναι ενσωματωμένη στο λογισμικόNETZSCH - Proteus^® LFA σε αυτή την περίπτωση.

Η μέτρηση της θερμικής διαχυτότητας των πυρολυμένων υλικών δεν απαιτεί επικάλυψη. Ωστόσο, λόγω του πορώδους χαρακτήρα του ξύλου ή του ξύλου charcoal, ο παλμός λέιζερ δεν απορροφάται πλέον πλήρως στην επιφάνεια, όπως αποδεικνύεται και από τους αφρούς γραφίτη. Προκειμένου να ληφθεί υπόψη η απορρόφηση του παλμού λέιζερ στη δομή των πόρων, στην περίπτωση των πυρολυμένων δειγμάτων χρησιμοποιείται το μοντέλο διείσδυσης του λογισμικούNETZSCH Proteus^® LFA. Στο Σχήμα 7 απεικονίζεται το σήμα μέτρησης (μπλε) με την πάροδο του χρόνου για ένα δείγμα charcoal και η προσαρμογή με χρήση του μοντέλου διείσδυσης (κόκκινο).

Μοιραστείτε αυτό το άρθρο: